本文链接：如何制作NES模拟器
前言
大约是一周半前，女朋友说她想要练习写Java。我想了一下，觉得要练一种编程语言，不如就用那种语言写点东西，在实践中学到这种语言的用法。于是我就提出，不如做一个NES模拟器吧。既练习了Java，又复习了一些底层相关的课程，又可以用来玩，岂不是一举三得？她欣然接受。然而，我没想到的是，编写模拟器并非如此简单，其中的坑非常多。
收集文档
毕竟是20多年前的主机，NES的相关资料并不难找，在网上搜一搜就能得到许多资料。我最终看得最多的是nesdev上的wiki，其中详细介绍了NES的各种硬件和他们的特性。虽然还是有一些语焉不详的地方，不过其实影响不大，可以用知识（脑补）来补足。
并不是有了这些资料就可以开始制作了，因为有可能发现根本看不懂。而如果学习过操作系统，汇编，计算机体系结构等课程的话，就会发现，PC和NES的主要硬件都是相通的，都存在中断，内存映射等概念。如果学过数字电路，就会了解信号上升沿触发中断等设计。所以，如果看不懂，不妨补一补以上课程。
加载ROM
现在玩游戏都是靠网上下载的ROM文件，其中大部分是NES格式的，这个格式有16字节的头部和其余的数据部分。根据nesdev上的资料，我们可以实现一个NesLoader：
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public interface NesLoader { int getPRGPageCount(); int getCHRPageCount(); byte[] getPRGPage(int index); byte[] getCHRPage(int index); int getMapper(); boolean isHorizontalMirroring(); boolean isVerticalMirroring(); boolean isSRAMEnabled(); boolean is512ByteTrainerPresent(); boolean isFourScreenMirroring(); byte[] getTrainer(); } |
这部分并不需要硬件知识，只要了解文件操作和文件格式，就可以轻松载入ROM。
此时可以测试载入一个ROM，看它的Mapper是什么，最好留用一些Mapper是0的ROM，备之后测试用。
实现CPU
从这个阶段开始就要进入模拟硬件的时间了。我首先从最熟悉的CPU开始，CPU内有若干寄存器，其中包括程序计数器PC，CPU每次从PC指向的内存中取出一条指令，执行，然后更新PC到下一条指令。执行指令需要要若干个周期，CPU每秒可运行的周期数一定，和CPU频率相等。所以，我初步设计出CPU为：
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public interface CPU { void setMemory(Memory memory); Memory getMemory(); long execute(); // 执行PC指向的一条指令 long getCycle(); // 获得周期数 void reset(); // 重置 void powerUp(); // 启动 void nmi(); // 两种中断 void irq(); // } |
其中Memory为内存：
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public interface Memory { int getSize(); int getByte(int address); void setByte(int address, int value); } |
内存的设计，要考虑到内存映射和硬件寄存器这回事。我在实现时，也设计了多种不同的内存类。
之后就是苦力活了，实现CPU的各个方法，要对每一种指令编写其功能实现。取指和实现的方法可以有多种，不再详述。我自己是用了一个大switch语句来完成。值得注意的是周期数一定要模拟好，不然就无法控制CPU的速度了。
简单Mapper
NES有200多种Mapper，用来将ROM的内容映射到CPU或是PPU的内存中，同时提供了切换内存映射的功能，也就是可以改变CPU同一块内存上对应哪一块的ROM。这里先不考虑太多，像超级马里奥这种比较简单的游戏，Mapper也是最简单的，所有ROM都固定映射到某一块地址。之后的几个步骤都只考虑这种Mapper。
基准测试
写好CPU和内存大概用了两天左右，之后我写了一个基准测试来检查我写的CPU是否足够有效率。这段程序尝试以1.78MHz的速度运行，执行200万条指令，最终结果是可以达到目标速度。
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long time = System.nanoTime(); int count = 2000000; for (int i = 0; i < count; i++) { for (int k = 0; k < 100; k++, i++) { cpu.getCycle(); } double cps = cpu.getCycle() * 1e9 / (System.nanoTime() - time); while (cps > 1789772.5) { try { Thread.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } cps = cpu.getCycle() * 1e9 / (System.nanoTime() - time); } } double costTime = (System.nanoTime() - time) / 1e9; System.out.println("Cost time: " + costTime + "s"); System.out.println("Cycles: " + cpu.getCycle()); System.out.println("Instructions: " + count); System.out.println("CPI: " + cpu.getCycle() / (double) count); System.out.println("CPS: " + cpu.getCycle() / costTime / 1e6 + "M"); |
编写PPU
光有CPU根本就玩不起来，要有PPU这个输出图像的模块才行。PPU有自己的内存，也把自己的寄存器映射到CPU的内存空间中，这样CPU就可以操作PPU了，包括修改PPU内存中的内容。PPU在自己的运行周期中，根据自己内存中的内容，绘制图形到屏幕上。在特定时刻，PPU还会触发CPU的中断。根据以上的特点，PPU设计如下：
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public interface PPU extends Memory { void setMemory(Memory memory); Memory getMemory(); void cycle(Screen screen, CPU cpu); // 运行一个周期 void powerUp(); void reset(); boolean inVerticalBlank(); // 是否在绘制两帧之间 } |
这里继承Memory是因为要把PPU的寄存器映射到CPU的内存中，设置PPU有“内存”接口在实现上更加直接。
PPU的实现比较复杂，其内存主要分为四个部分：图形模式、背景、调色板、活动块。其中图形模式一般是从ROM中直接读入，是图块的形状，每个图块只能表示透明和3种颜色；背景是以8×8图块密集堆成的背景图；调色板用来选择图块的每种颜色的实际值；活动块是可以在表面任意活动的图块，比如人物等等。PPU根据这些信息，平均每个周期绘制屏幕上的一个点。
这里的Screen类用来将抽象的坐标-颜色组合转换成可以显示的图像：
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public interface Screen { void set(int x, int y, int color); BufferedImage show(); } |
合并测试
有了CPU和PPU，就可以合并起来测试了。如果查看文档，知道PPU的运行速度是CPU的3倍，所以将上面基准测试的核心代码改成了：
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for (int k = 0; k < 100; k++, i++) { int cycle = (int) (cpu.execute() - oldCycle); oldCycle = cpu.getCycle(); for (int j = 0; j < cycle; j++) { ppu.cycle(screen, cpu); ppu.cycle(screen, cpu); ppu.cycle(screen, cpu); if (!oldInBlank && ppu.inVerticalBlank()) { updateScreen(); } oldInBlank = ppu.inVerticalBlank(); } } |
有一些游戏，比如超级马里奥，即使没有输入，也可以自己行动，正好用来测试。
写到这个程度，基本上一定会有bug。没有其他好办法了，只好debug了。
debug的方式很多。首先，为了确定各个模块有没有写错，可以写一些测试。其中内存类内容较少，很容易测试通过。CPU类需要对每种可能的指令进行测试，覆盖所有可能。PPU因为要输出，而且流程比较复杂，不适合写测试，可以直接输出到界面上测试。
当然，如果这些都找不到问题，可能就是文档看错了或是理解错了。唯一的办法是看其他文档或是和已有模拟器对比。我最后是和VirtuaNES这个模拟器对比，发现了自己的实现错误。
我最后找到的大问题有两个：一是SBC指令实现错了，这都怪我看了错的文档。二是PPU的$2007寄存器实现不对。之后花屏的问题就消失了，剩下的一些就是小问题了。
因为要做模拟器，最好还是忠实地按照硬件的运行方法实现，不能自己想当然地改变做法，谁也不能保证一个游戏不会使用一些奇葩的硬件特性。我在这个上面吃了亏，没有仔细读文档说明，就想当然地实现了，最后当然出了问题，浪费了时间。吃一堑，长一智，之后我实现APU的时候就仔细按照文档的说明来一步一步完成，不再想当然。
输入
CPU通过读取4016~4017的内存地址来得知输入，类似上面PPU的逻辑，输入也可以看作实现了“内存”接口：
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public abstract class Input implements Memory { protected abstract void writeRegister(int value); // 向下调用接口 protected abstract int get(int address); public int getSize() { return 2; } public int getByte(int address) { return get(address); } public void setByte(int address, int value) { if (address == 0) { writeRegister(value); } } } |
大部分游戏都使用标准的方向、A、B、Start、Select控制器作为输入，我也只实现了这一种输入，并为它写了一个类。这个类接收外来（我用的是Swing的KeyListener）的按下或抬起某个按键的调用，在CPU访问时，输出按键按下状态。
更多Mapper
如果做完了以上这些内容，就可以模拟一些游戏了，但是可以模拟的只有Mapper编号是0的游戏。如果要玩更多的游戏，就要实现其他的Mapper。同CPU，PPU相同，Mapper也是实际存在的硬件，CPU通过写内存来控制Mapper，所以Mapper也要映射到CPU的内存空间中，也要实现“内存”接口。
我的做法是用一个MemoryFactory，根据编号不同，给出不同的Mapper对象。每种Mapper，各自设计一个类，实现抽象的Mapper和Memory接口。Mapper的主要作用是在模拟开始前，映射好所有内存地址。同时，在模拟过程中根据CPU的控制，修改内存映射。
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public interface Mapper extends Memory { void mapMemory(NesLoader loader, CPU cpu, PPU ppu, APU apu, Input input); void cycle(CPU cpu); } |
实现APU
现在我已经可以玩很多游戏了，但是还是没声音。俗话说，“没声音，再好的游戏都不行”。还是要模拟一下声音相关的硬件。在完成了以上这么多内容后，实现APU应该也不是难事，只要看着文档一步步来就好了。
APU有五个声音模块：2个方波，1个三角波，1个噪声，1个差值调制通道（DMC），每个模块都有4个寄存器映射到CPU的内存空间，它们之间相互独立，可以逐个完成。APU使用计数器来同步它们的行为，并将它们的输出混合。
因为有了之前的经验，我这里的实现很顺利，出现问题也能很快解决。
总结
以上就是我编写模拟器的过程。和自己写一个软件相比，编写模拟器要更多依照别人的标准，稍有差别就会模拟不正确。有时候文档不清楚，或是自己看不懂，也需要找更多文档，或者自己尝试更多可能。当然，做出来的那一刻，带来的成就感是相当大的，自己也在不知不觉中复习了一些课程的内容。
不过，我似乎忘了关注一下女朋友的进度……
题主牛x。现在完成了吗？能不能分享下源码。我现在做的本科论文是在一个模拟器的基础上完成多线程功能，但一头雾水，希望可以参考下题主的作品。
完成了啊。
链接: https://pan.baidu.com/s/1nvsZMXV 密码: v7mt
看了半天发现自己不是写模拟器的料，压根不懂底层的东西，还是找找别人写好的现成的移植一下吧。不过话说保存读取进度这块看哪里的资料
如果是即时保存，只需要把内存和寄存器值存起来就好了。
如果是游戏提供的保存，则需要实现相应的Mapper，并保存相应的内存段。一般是把$6000-$7FFF中的一段内存作为存盘记录下来。